以纳米晶掺杂复合体系为例，研究该类多组分光学材料的有效介电系数随复合体系结构和组分介电系数的变化，进而分析有效介质理论的适用条件。假定纳米晶被周期性掺杂到背景晶体中，且均为各向同性材料。借助转移矩阵理论研究发现，当纳米晶和背景晶体的介电系数相差较大时，有效介电系数会表现出波长依赖性。此外，发现复合体系在其光学能隙处没有有效介电系数，说明此时基于等效介质思想的有效介质理论均不适合描述复合体系的光学性质，这是因为在物理上均一的光学材料无法形成光学能隙。
表面光学 光学超材料 转移矩阵理论 有效介质理论 有效介电系数 复合体系
1 北京工业大学理学部，北京 100124
2 北京工业大学材料与制造学部新能源材料与技术研究所，北京 100124
石墨烯基复合材料在红外探测隐身方面具有广泛的应用前景，但如何提升其宽带全方位红外吸收特性还缺少系统的研究工作。设计了一种光学介质层与石墨烯层交替分布的二元石墨烯基复合微纳结构红外吸收器，并采用传输矩阵方法系统地研究了其红外吸收特性。结果表明，可通过调控石墨烯层数以及结构周期使红外电磁波在该结构中产生显著的增益和损耗共振耦合效应，在8~14 μm全波段内的吸收率高于80%，在10.0~13.3 μm波段内的吸收率高于90%，带宽最大为3.3 μm。此外，该微纳结构在大角度（0°~60°）斜入射下表现出红外吸收偏振不敏感特性。该研究结果将为新一代石墨烯基柔性宽频带大角度可调谐红外吸收微纳结构的设计与应用提供新思路，也为实现新一代柔性轻质隐身或伪装薄膜材料提供了可行的技术方法与实现途径。
材料 多层石墨烯 微纳结构 红外吸收调控 传输矩阵法 介质材料 激光与光电子学进展
2022, 59(17): 1716005
宁波工程学院建筑与交通工程学院, 浙江 宁波 315211
采用二维纳米材料作周期性排列设计了一种湿敏型一维光子晶体纳米结构, 并基于多层介质的传输矩阵光学特性, 研究了所设计传感结构的透射光谱的湿敏光学特性及其湿敏禁带特性, 以及在 TE 和 TM 两种光波传播模式下一维光子晶体能带结构的光子禁带与环境湿度之间的变化关系。结果表明: TE 模式和 TM 模式下, 在0%～100%的相对湿度变化范围内, 一维光子晶体具有显著的光子禁带, 且光子禁带的初始波长、截止波长及禁带宽度都随环境湿度呈二次方规律变化。
量子光学 一维光子晶体 传输矩阵法 光子禁带 湿度 quantum optics one-dimensional photonic crystal transfer matrix method photonic band gap humidity
1 中国计量大学 理学院，浙江 杭州310018
2 深圳职业技术学院 电子与通信工程学院，广东 深圳 518055
基于Timoshenko梁弯曲理论，该文建立了双激励阶梯形弯曲振动夹心式压电换能器的传递矩阵理论模型。利用解析理论模型和有限元仿真对换能器的前4阶弯曲振动特性进行了计算分析。结果表明，在换能器的各阶弯曲振动模态下，解析理论计算与有限元仿真均取得了一致结果，即在低阶(一、二阶)弯曲振动模式下换能器有效机电耦合系数大，高阶弯曲振动模式下换能器的有效机电耦合系数小。阶梯形前盖板的直径比对换能器的各阶弯曲共振频率和放大系数均有较大的影响，直径比越大，弯曲共振频率越低，放大系数越大。
Timoshenko梁理论 弯曲振动 传递矩阵法 有限元仿真 振动模态 Timoshenko’s beam theory flexural vibration transfer matrix method FE simulation vibration mode
Author Affiliations
Abstract
1 College of Engineering and Applied Sciences, National Laboratory of Solid State Microstructures, and Collaborative Innovation Center of Advanced Microstructures, Nanjing University, Nanjing 210023, China
2 School of Physics, Nanjing University, Nanjing 210023, China
We investigate the single-photon transport problem in the system of a whispering-gallery mode microresonator chirally coupled with a two-level quantum emitter (QE). Conventionally, this chiral QE-microresonator coupling system can be studied by the master equation and the single-photon transport methods. Here, we provide a new approach, based on the transfer matrix, to assess the single-photon transmission of such a system. Furthermore, we prove that these three methods are equivalent. The corresponding relations of parameters among these approaches are precisely deduced. The transfer matrix can be extended to a multiple-resonator system interacting with two-level QEs in a chiral way. Therefore, our work may provide a convenient and intuitive form for exploring more complex chiral cavity quantum electrodynamics systems.
chiral cavity QED system master equation method single-photon transport theory transfer matrix method Chinese Optics Letters
2022, 20(6): 062701
1 南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学工程训练中心，江苏 南京 210044
等离子体特性电磁参数是研究等离子体应用技术的基础，为了精确地获取冷等离子体的电磁参数，提出一种基于等离子体缺陷微波光子晶体的冷等离子体电磁参数测量方法。利用传输矩阵法模拟了等离子体电磁参数与微波光子晶体缺陷透射峰的频率偏移量和峰值之间的关系。结果表明，等离子体缺陷微波光子晶体缺陷峰频率偏移量和峰值与等离子体频率和碰撞频率具有明确对应关系。因此，通过测量等离子体缺陷微波光子晶体缺陷透射峰频率偏移量和峰值，可以敏感地反演出被测等离子体的等离子体频率和碰撞频率。该方法的优势在于实现了等离子体电磁参数的非接触式和高灵敏度测量。
等离子体 等离子体频率 等离子体碰撞频率 微波光子晶体 传输矩阵法 激光与光电子学进展
2022, 59(5): 0535001
青岛大学 电子信息学院, 山东 青岛 266071
为增强石墨烯对近红外通信波段光波的吸收, 提出了一种基于周期性宇称-时间(Parity-time)对称结构的石墨烯基吸收器, 该结构由顶层的石墨烯层和底层周期性PT对称单元构成。采用传输矩阵方法系统地研究了该结构中石墨烯对1 450～1 650 nm波长范围内光波的吸收特性。结果表明, 通过优化石墨烯复合PT对称微纳结构参数, 对于所研究波长范围内垂直入射的近红外光波, 单层石墨烯的平均吸收增强了35倍。同时, 对入射角在0°～30°范围内的光波, 结构对TE极化波和TM极化波的平均吸收分别增强了19.7倍和54倍。该结构对近红外通信波段光波具有高强度吸收特性, 可广泛用于吸收器、光电探测器和红外光学传感器等器件的设计。
宇称时间对称 石墨稀 近红外 传输矩阵 parity-time symmetry graphene near-infrared transfer matrix method
提出一种基于周期性宇称-时间(PT)对称结构的磁光调制器,该结构由在中间的水基MnFe2O4磁流体层和两侧周期性PT对称单元构成,利用磁流体的磁光效应,实现具有增益的高消光比光调制。利用传输矩阵法对结构进行仿真分析,结果表明,对于波长处于结构禁带低透射区域的入射光波,在以1550 nm为中心从1513 nm到1587 nm的波长范围内,调制器对入射光最大增益接近25 dB,消光比最高接近60 dB,最低可达30 dB,同时入射光波透射率和波长移动的平均调制灵敏度最大分别可以达到74.51 dB和108.2 nm。
光学器件 宇称-时间对称 磁光效应 调制器 传输矩阵法
Author Affiliations
Abstract
School of Electronic Information, Qingdao University, Qingdao 266071, China
In order to realize the ultrastrong absorption of graphene with electrical modulation properties, we designed a composite structure of graphene and parity-time (PT) symmetry photonic crystal, which is achieved by placing the graphene layer on the top layer of the PT symmetry photonic crystal. In this paper, the absorption properties of graphene and the electrical modulating properties of the structure were theoretically analyzed based on the transfer matrix method. The result shows that the proposed structure can achieve the absorption of 31.5 dB for the communication wavelength of 1550 nm; meanwhile, by setting the electric field intensity to , the absorption of graphene can be largely modulated to realize an electrically switchable effect, the modulation depth of graphene absorption can reach nearly 100%, and the operation speed is also close to 8.171 GHz. This investigation provides a novel approach to design graphene-based optoelectronic devices and optical communication devices.
parity-time symmetry ultrastrong absorption electrical modulation graphene transfer matrix method Chinese Optics Letters
2022, 20(2): 022201
山东理工大学 物理与光电工程学院, 山东 淄博 255000
磁场的传感测量在相关领域具有重要应用。利用磁流体的磁光效应, 提出了一种基于光学Tamm态的磁场传感结构。该结构由加载了金属层和电介质层的一维磁流体光子晶体构成。数值研究了该结构的结构参数对传感性能的影响。结果表明, 磁流体层越厚, 探测灵敏度就越高。金属层和电介质层的厚度均存在一个最佳值, 使得传感器具有较高的探测精度。结果还表明, 该传感结构的探测灵敏度优于已报道的采用光子晶体缺陷结构实现的磁场传感器。研究结果为基于光学Tamm态的磁流体磁场传感器的设计制备提供了参考。
光学塔姆态 磁流体 磁场传感 传输矩阵法 optical Tamm state magnetic fluid magnetic field sensors transfer matrix method
